هل تحطيم كربيد التنغستن بسهولة؟

قائمة المحتوى

● ما هو كربيد التنغستن؟

>> الخصائص الكيميائية

>> الخصائص الفيزيائية

>> الصلابة والتكوين

● عامل قابلية الكسر

>> عدم وجود قابلية

>> قوة ضغط عالية

>> مقارنة كربيد التنغستن مع مواد أخرى

● العوامل التي تؤثر على حساسية التنغستن كربيد لتحطيم

>> التكوين وحجم الحبوب

>> وجود المجلدات

>> عملية التصنيع

>> الظروف البيئية

>> ضغوط خاصة التطبيق

● مزايا كربيد التنغستن

>> ارتداء المقاومة

>> أداء درجات الحرارة العالية

>> الاحتفاظ الحافة

● تطبيقات كربيد التنغستن

>> أدوات القطع

>> ارتداء أجزاء

>> مجوهرات

● استراتيجيات التخفيف لمنع التحطيم

>> اختيار المواد

>> تحسين التصميم

>> التحكم في عملية التصنيع

>> الطلاء الواقي

>> التفتيش والصيانة المنتظمة

● خاتمة

● التعليمات

>> 1. ما الذي يجعل كربيد التنغستن صعبًا جدًا؟

>> 2. هل كربيد التنغستن دائما هش؟

>> 3. كيف تؤثر درجة الحرارة على كربيد التنغستن؟

>> 4. هل يمكن إصلاح كربيد التنغستن إذا كان يتصدع؟

>> 5. ما هي بدائل كربيد التنغستن؟

● الاستشهادات:

تعتبر Tungsten Carbide مركبًا يحتفل به من أجل صلابةه الاستثنائية ، ومقاومة التآكل ، والخصائص الحرارية ، مما يجعله ضروريًا لتطبيقات صناعية مختلفة [4]. يتكون من خلال الجمع بين ذرات التنغستن والكربون في أجزاء متساوية [2] [5] [6]. في حين أن صلابةها هي ميزة كبيرة ، فإن مسألة ما إذا كانت مسألة ما إذا كانت تحطيم كربيد التنغستن أمرًا بالغ الأهمية للمهندسين والمصنعين والمستهلكين على حد سواء [3] [7].

ما هو كربيد التنغستن؟

كربيد التنغستن (WC) هو مركب كيميائي غير عضوي يتكون من أجزاء متساوية من ذرات التنغستن وذرات الكربون [5]. وغالبًا ما يشار إليها باسم Tungsten Monocarbide ، فهي تبرز على أنها كربيد التنغستن الأكثر أهمية واستخدامه على نطاق واسع [5]. عادةً ما يتم تصنيع كربيد التنغستن كمسحوق سيراميك فائقة الدقة يتم تكتلها أو تنصهرها مع موثق معدني-الكوبالت ، كروم الكوبالت أو النيكل-لتوفير الخزف الصلب مع ليونة ومرونة [4].

الخصائص الكيميائية

يوجد مركبان مميزان من التنغستن والكربون: كربيد التنغستن (WC) و Tungsten Semicarbide (W2C) [2]. قد يكون كلا المركبين موجودين في الطلاء ، مع نسبها تختلف اعتمادًا على طريقة الطلاء [2]. في درجات حرارة عالية ، تتحلل WC إلى التنغستن والكربون ، وهي ظاهرة يمكن أن تحدث أثناء عمليات الرش الحرارية عالية الحرارة مثل وقود الأكسجين عالي السرعة (HVOF) وطرق البلازما عالية الطاقة (HEP) [2]. يبدأ أكسدة WC في 500-600 درجة مئوية (773-873 K) [2]. إنه يوضح مقاومة للأحماض ، التي تتعرض للهجوم فقط بواسطة خليط حمض الهيدروفلوريك/حمض النيتريك (HF/HNO3) فوق درجة حرارة الغرفة [2]. يتفاعل مع غاز الفلور في درجة حرارة الغرفة والكلور فوق 400 درجة مئوية (673 كلفن) وهو غير متفاعل لتجفيف H2 حتى نقطة الانصهار [2]. يتأكسد WC المسحوق بدقة بسهولة في المحاليل المائية بيروكسيد الهيدروجين [2].

الخصائص الفيزيائية

يتميز كربيد التنغستن بنقطة انصهار عالية تبلغ 2،870 درجة مئوية (3،140 كلفن) ، ونقطة غليان تبلغ 6000 درجة مئوية (6،270 كلفن) تحت ضغط واحد من الجو القياسي (101.325 كيلو فراشات) [2]. لديها توصيل حراري قدره 110 واط/م ، ومعامل التوسع الحراري من 5.5 ميكرون/م · ك [2].

تشتهر Tungsten Carbide بأصوبها الشديد ، حيث يحتل المرتبة بين 9.0 و 9.5 على مقياس Mohs ، ويبلغ عدد فيكرز حوالي 2600 [2]. يبلغ معاملها الشباب حوالي 530-700 GPA ، ومعامل كبير من 379-381 GPA ، ومعامل القص من 274 GPA [2]. إنه يتميز بقوة الشد النهائية البالغة 344 ميجا باسكال ، وقوة ضغط نهائية تبلغ حوالي 2.7 GPA ونسبة Poisson 0.31 [2]. سرعة الصوت من خلال قضيب رفيع من كربيد التنغستن هي 6220 م/ث [2].

الصلابة والتكوين

يتكون كربيد التنغستن (WC) من ذرات التنغستن والكربون مرتبة في بنية بلورية سداسية [4]. يحتوي الشكل الأكثر شيوعًا المستخدم في التطبيقات الصناعية على حوالي 94 ٪ من التنغستن و 6 ٪ من الكربون بالوزن [4]. يمكن تعديل هذا التكوين عن طريق إضافة مواد الربط ، عادة الكوبالت أو النيكل ، لتعزيز خصائص معينة [4]. يجمع Cermet الناتج (المركب المعدني الخزفي) بين صلابة عالية من كربيد التنغستن السيراميك مع صلابة المجلدات المعدنية [4].

عامل قابلية الكسر

تنبع قابلية كسر حلقات كربيد التنغستن من الخواص الفيزيائية الجوهرية للمادة [1]. في حين أن كربيد التنغستن معروف بصلابةه المدقع ومقاومته للخدش ، فإن هذه الصلابة تجعلها أكثر عرضة للكسر في ظل ظروف محددة [1] [3]. على عكس المعادن الأكثر ليونة التي يمكن أن تنحني وتشوه تحت الضغط ، لا يمكن أن تمتص بنية Tungsten Carbide التأثير من خلال الانحناء [1] [3]. بدلاً من ذلك ، عندما تتعرض لضرب حاد أو ضغط شديد ، يكون من المعرضة للكسر أو التحطيم [1].

عدم وجود قابلية

حلقات كربيد التنغستن غير قابلة للمرح ، مما يعني أنه لا يمكن ثنيها بسهولة أو إعادة تشكيلها دون تلف [3]. المعادن الثمينة مرنة تمامًا ، ولكن حتى حلقات التنغستن عالية الجودة ليست [3]. هذا الافتقار إلى قابلية التخليط يعني أنهم أكثر عرضة للتحطيم [3]. القدرة على الانحناء تحمي بعض المعادن من التحطيم ، لذلك نظرًا لأن حلقات كربيد التنغستن لا يمكنها القيام بذلك ، فمن الأرجح أن تحطم [3].

قوة ضغط عالية

تشير قوة الضغط إلى القدرة على تحمل التكسير [3]. المعادن الهشة في كثير من الأحيان تقاوم الضغط [3]. لأن حلقات كربيد التنغستن تقاوم الضغط أنها هشة [3].

مقارنة كربيد التنغستن مع مواد أخرى

ملكية	Tungsten Carbide	Steel
معامل يونغ	550 GPA	~ 200 GPA
صلابة (موس)	~ 9	~ 6-6.5
الكثافة (g/cm ⊃3 ؛)	~ 15.6	~ 7.8
نقطة الانصهار (درجة مئوية)	2،870	~ 1،375

العوامل التي تؤثر على حساسية التنغستن كربيد لتحطيم

تحدد عدة عوامل مدى سهولة تحطيم كربيد التنغستن:

التكوين وحجم الحبوب

يلعب تكوين كربيد التنغستن ، وتحديداً النسبة المئوية للكربون ووجود مواد ملزمة مثل الكوبالت أو النيكل ، دورًا مهمًا [4] [5]. تعزز أحجام الحبوب الدقيقة والتوزيع الموحد لمرحلة كربيد الصلابة ، في حين أن محتوى الموثق العالي يمكن أن يحسن ليونة ولكن قد يقلل من الصلابة [4] [5].

وجود المجلدات

في حين أن كربيد التنغستن النقي له صلابة ممتازة ، إلا أنه من الهشة والمعرضة للتحطيم ، وخاصة تحت التأثير [5]. لتحسين صلابة ومتانتها ، يتم خلط مساحيق كربيد التنغستن مع المجلدات المعدنية قبل أن يتم تلبيسها في أجزاء صلبة [5].

1.Cobalt (CO)

الكوبالت هو الموثق الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لكربريد التنغستن [5]. يعد كربيد التنغستن المربوط بالكوبالت ، والذي يشار إليه غالبًا باسم كربيد ، معيار الصناعة لأدوات القطع وارتداء الأجزاء [5]. يتراوح محتوى الكوبالت عادة من 3 ٪ إلى 30 ٪ بالوزن ، مع ارتفاع نسب الكوبالت المتزايدة المتزايدة على حساب بعض الصلابة ومقاومة التآكل [5]. يتمتع الكوبالت بخصائص ترطيب ممتازة والالتصاق مع كربيد التنغستن ، مما يسمح بإنتاج أجزاء عالية الكثافة خالية من الفراغ [5].

2. Nickel (NI)

يمكن أن يكون النيكل بمثابة موثق بديل للكوبالت في مركبات كربيد التنغستن [5]. بالمقارنة مع الكوبالت ، تؤدي علامات النيكل إلى مقاومة تآكل أفضل وتحسين الاستقرار الكيميائي ، وخاصة ضد البيئات الحمضية [5]. ومع ذلك ، فإن كربيدات النيكل المربوطة لها صلابة أقل وارتداء تقييمات المقاومة [5]. يستخدم النيكل أحيانًا بالاقتران مع الكوبالت لضبط خصائص مركب كربيد التنغستن [5].

3. مجلدات أخرى

يتم استخدام المعادن الأخرى ، مثل الكروم والحديد ، بشكل شائع كمجلد وحيد ولكن يمكن دمجها مع الكوبالت أو النيكل لنقل خصائص محددة [5]:

- يعزز الكروم من مقاومة التآكل والأكسدة لمركب كربيد التنغستن. غالبًا ما يتم استخدامه في تركيبة مع مجلدات النيكل [5].

- يمكن أن يكون الحديد بمثابة بديل اقتصادي أو إضافة إلى مجلدات الكوبالت. كربيد Ferro-Tungsten لديه صلابة أقل ولكن صلابة أعلى مقارنة بالدرجات المربوطة بالكوبالت [5].

عملية التصنيع

تؤثر الطريقة المستخدمة لتصنيع أجزاء كربيد التنغستن بشكل كبير على مقاومتها للتحطيم [4]. يمكن لعمليات مثل التلبيد ، والضغط الساخن ، والرش الحراري ، أن تقدم عيوبًا أو ضغوطًا متبقية تعرض سلامة المادة [7]. يعد التحكم السليم في درجة الحرارة والضغط والجو أثناء التصنيع ضروريًا لتقليل هذه المشكلات [7].

الظروف البيئية

يمكن أن تسهم درجات الحرارة القصوى والمواد المسببة للتآكل والبيئات عالية التأثير في فشل مكونات كربيد التنغستن [2] [7]. يمكن أن تقلل درجات الحرارة المرتفعة من صلابة المواد وقوتها ، في حين أن المواد المسببة للتآكل يمكن أن تحلل مرحلة الموثق ، مما يؤدي إلى تكسير وتحطيم في نهاية المطاف [2].

ضغوط خاصة التطبيق

نوع وحجم الإجهاد المطبقة على كربيد التنغستن في تطبيقه المقصود من العوامل الحرجة [7]. تكون الضغوطات الضغطية بشكل عام بشكل جيد ، لكن ضغوط الشد والقص يمكن أن تبدأ الشقوق ، خاصة في المكونات ذات الزوايا الحادة أو مركبات الإجهاد الأخرى [3].

مزايا كربيد التنغستن

على الرغم من قابليتها للتحطيم في ظل ظروف معينة ، يقدم Tungsten Carbide مزايا عديدة [4]:

ارتداء المقاومة

تعد مقاومة Tungsten Carbide العالية للارتداء والتآكل إحدى ميزاته البارزة [4] [7]. يمكن أن يتحمل التعرض المطول للبيئات الكاشطة دون تدهور كبير ، مما يجعله مثاليًا للصناعات حيث تخضع المعدات للاحتكاك المستمر والاتصال بالمواد المسببة للتآكل [7]. على الرغم من أنه أكثر تكلفة في البداية ، إلا أن كربيد التنغستن يوفر الأموال بمرور الوقت بسبب متانته وتقليل الحاجة للصيانة [7]. يترجم العمر الممتد للأدوات والمكونات إلى وفورات في التكاليف وزيادة الكفاءة التشغيلية [7].

أداء درجات الحرارة العالية

يمكن أن تؤدي كربيد التنغستن بشكل جيد حتى في درجات حرارة عالية للغاية ، مع الحفاظ على صلابة وقوتها [7]. لديها نقطة انصهار تتجاوز 2،870 درجة مئوية (5200 درجة فهرنهايت) ، مما يسمح لها بالاحتفاظ بسلامتها الهيكلية في درجات الحرارة المرتفعة [2] [6] [7]. هذا أمر بالغ الأهمية للتطبيقات مثل القطع والحفر ، حيث تواجه الأدوات غالبًا حرارة عالية بسبب الاحتكاك [7]. يضمن الاستقرار الحراري لكاربايد Tungsten أداءً ثابتًا ويقلل من خطر فشل الأداة أثناء المهام الصعبة [7].

الاحتفاظ الحافة

تظل أدوات كربيد التنغستن حادة لفترة أطول ، مما يؤدي إلى تخفيضات أكثر نظافة وعمليات أكثر كفاءة [7]. عند استخدامها كمواد طلاء ، يوفر كربيد التنغستن قوة رابطة عالية وإجهاد منخفض المتبقية ، خاصة عند تطبيقها باستخدام عملية الرش الحرارية للوقود (HVOF) عالي السرعة [7]. تؤدي هذه العملية إلى طلاء كثيف ومتماسك مع الحد الأدنى من المسامية ، مما يعزز مقاومة التآكل الشاملة ومتانة المكونات المطلية [7]. هذه الخصائص تجعل الطلاءات كربيد التنغستن مثالية للتطبيقات التي تتطلب حماية سطحية قوية وموثوقة [7].

تطبيقات كربيد التنغستن

يتم استخدام كربيد التنغستن عبر مختلف الصناعات بسبب خصائصه الفريدة [4]:

أدوات القطع

يستخدم كربيد التنغستن على نطاق واسع في أدوات القطع لتصنيع الآلات ، والحفر ، والطحن [5] [7]. تضمن صلابة وارتداء المقاومة أن هذه الأدوات تحافظ على حافة حادة ، حتى في السرعات ودرجات الحرارة العالية [7].

ارتداء أجزاء

يتم استخدام المكونات المصنوعة من كربيد التنغستن في الطلبات التي تكون فيها مقاومة التآكل والتآكل أمرًا بالغ الأهمية [4]. ومن الأمثلة على ذلك الفوهات والمحامل ومكونات المضخة المستخدمة في الصناعات النفطية والغاز والتعدين والكيماويات [4].

مجوهرات

أصبحت كربيد التنغستن مادة شائعة للحلقات وغيرها من عناصر المجوهرات بسبب مقاومة الخدش ومتانتها [1] [3]. على الرغم من أنه يمكن أن يتحطم تحت تأثير كبير ، إلا أن صلابةها تضمن أنها تظل خالية من الخدوش تحت ارتداءها الطبيعي [1].

استراتيجيات التخفيف لمنع التحطيم

لمنع مكونات كربيد التنغستن من التحطيم ، يمكن استخدام العديد من الاستراتيجيات:

اختيار المواد

يعد اختيار الدرجة المناسبة لكربيد التنغستن لتطبيق معين أمرًا بالغ الأهمية [4] [5]. تشمل العوامل التي يجب مراعاتها محتوى الموثق ، وحجم الحبوب ، ووجود عناصر السبائك الأخرى [4].

تحسين التصميم

يمكن أن يؤدي تصميم المكونات ذات الزوايا المستديرة والانتقالات السلسة إلى تقليل تركيزات التوتر ، مما يقلل من خطر بدء التشغيل [3]. من الضروري تجنب الحواف الحادة والتغيرات المفاجئة في الهندسة [3].

التحكم في عملية التصنيع

يمكن لتنفيذ الضوابط الصارمة أثناء عملية التصنيع تقليل العيوب والضغوط المتبقية [4]. ويشمل ذلك المراقبة الدقيقة لدرجة الحرارة والضغط والجو أثناء التلبد وخطوات التصنيع الأخرى [7].

الطلاء الواقي

إن تطبيق الطلاء الواقي ، مثل الكربون الذي يشبه الماس (DLC) أو الطلاء الخزفي ، يمكن أن يعزز صلابة السطح وارتداء مكونات كربيد التنغستن ، مما يوفر طبقة إضافية من الحماية ضد التحطيم [4] [7].

التفتيش والصيانة المنتظمة

يمكن أن يساعد فحص مكونات كربيد التنغستن بانتظام لعلامات التآكل أو الشقوق أو الأضرار الأخرى في تحديد المشكلات المحتملة قبل أن تؤدي إلى فشل كارثي. يمكن أن يؤدي تطبيق برنامج الصيانة الاستباقي إلى إطالة عمر هذه المكونات ومنع وقت التوقف غير المتوقع [7].

خاتمة

في الختام ، في حين أن كربيد التنغستن صعب للغاية ومقاوم للارتداء ، إلا أنه من المعرض أيضًا تحطيم في ظل ظروف محددة [1] [3]. إن افتقارها إلى قابلية التلاشي وقوة الضغط العالية تعني أن الضربات الحادة أو الضغط الشديد يمكن أن تسبب ذلك في كسر أو تحطيم [1] [3]. تلعب عوامل مثل التكوين وعملية التصنيع والظروف البيئية والضغوط الخاصة بالتطبيق دورًا في تحديد قابلية كسرها [4] [7].

على الرغم من هذا القيد ، فإن مزايا كربيد التنغستن ، بما في ذلك مقاومة التآكل ، وأداء درجات الحرارة العالية ، والاحتفاظ بالحافة ، تجعلها لا غنى عنها في العديد من الصناعات [7]. من خلال فهم العوامل التي تسهم في تحطيم وتنفيذ استراتيجيات التخفيف المناسبة ، يمكن للمهندسين والمصنعين زيادة عمر وموثوقية مكونات كربيد التنغستن [4]. يعد الفحص المنتظم ، واختيار المواد الدقيقة ، وتحسين التصميم ، وعمليات التصنيع التي يتم التحكم فيها كلها ضرورية لمنع الفشل وضمان الأداء الأمثل [7].

التعليمات

1. ما الذي يجعل كربيد التنغستن صعبًا جدًا؟

تأتي صلابة Tungsten Carbide من الروابط التساهمية القوية بين تنغستن وذرات الكربون في بنية بلورية سداسية [4] [5]. يوفر هذا الهيكل مقاومة استثنائية للتشوه والارتداء [4].

2. هل كربيد التنغستن دائما هش؟

في حين أن كربيد التنغستن هش بطبيعته ، يمكن تحسين صلابةها عن طريق إضافة المجلدات المعدنية مثل الكوبالت أو النيكل [5]. يؤثر محتوى الموثق وحجم الحبوب على هشاشة المواد الكلية [5].

3. كيف تؤثر درجة الحرارة على كربيد التنغستن؟

يحافظ كربيد التنغستن على صلابة وقوتها في درجات حرارة عالية ، مع نقطة انصهار قدرها 2،870 درجة مئوية (5200 درجة فهرنهايت) [2] [6] [7]. ومع ذلك ، فإن درجات الحرارة القصوى يمكن أن تقلل من قوتها الكلية وتزيد من قابليتها للأكسدة [2].

4. هل يمكن إصلاح كربيد التنغستن إذا كان يتصدع؟

إصلاح كربيد التنغستن المتصدع يمثل تحديًا بسبب صلابة وهشاشة [3]. يمكن استخدام تقنيات متخصصة مثل النحاس أو الترابط اللاصقة في بعض الحالات ، ولكن قد لا يكون للمكون الذي تم إصلاحه نفس القوة والمتانة الأصلية [3].

5. ما هي بدائل كربيد التنغستن؟

تشمل بدائل كربيد التنغستن الفولاذ عالي السرعة والسيراميك وطلاء الماس [5]. يعتمد اختيار المواد على متطلبات التطبيق المحددة ، بما في ذلك الصلابة ، ومقاومة التآكل ، والتكلفة [5].

الاستشهادات:

[1] https://redwoodrings.com/blogs/redwood-rings-blog/tungsten-ring-break

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten_carbide

[3]

[4] https://www.linde-amt.com/resource-library/articles/tungsten-carbide

[5] https://cowseal.com/tungsten-vs-tungsten-carbide/

[6] https://www.vedantu.com/chemistry/tungsten-carbide

[7]

[8] http://www.tungsten-carbide.com.cn